Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Конструкционные легированные стали
|
|
Наибольшее число деталей выполняют из легированных конструкционных сталей перлитного класса. В отожжённом состоянии эти стали как по структуре, так и по механическим свойствам мало отличаются от углеродистых конструкционных сталей. Только в термически обработанном состоянии легированные конструкционные стали обладают более высоким комплексом механических характеристик, поэтому их необходимо обязательно подвергать термической обработке - закалке и отпуску.
В отличие от углеродистых сталей, которые имеют малую прокаливаемость (прокаливаются насквозь изделия при диаметре не более 15 мм), легированные стали имеют более высокую прокаливаемость (прокаливаются насквозь изделия до диаметра 300 мм и более).
Более мягкая закалка (охлаждение, например, в масле) вызывает в изделиях, изготовленных из легированных сталей, меньшие структурные и термические напряжения. Это позволяет закаливать изделия более сложной конфигурации, уменьшает поводку и соответственно припуски на механическую обработку.
Конструкционные легированные стали подразделяют на цементуемые и улучшаемые (ГОСТ 4543-71), рессорно-пружинные (ГОСТ 14959-79), строительные стали (ГОСТ 19281-89).
Высокоуглеродистые (≥ 0, 7 %С) легированные стали – инструментальные, стали с меньшим содержанием углерода - конструкционные.
Наиболее многочисленные группы конструкционных сталей – это цементуемые (0, 10–0, 25 %С)и улучшаемые (0, 30–0, 50 %С) стали (стали перлитного и мартенситного классов) (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Химический состав, механические свойства и критический диаметр некоторых конструкционных легированных сталей
| Марка стали | Содержание элементов, % | Механические свойства | |||||||||
| С | Mn | Cr | Ni | Другие эл-ты | σ 0, 2, МПа | σ в, МПа | δ, % | Ψ, % | Κ СU МДж/м2 | Dкр, мм | |
| ЦЕМЕНТУЕМЫЕ | |||||||||||
| 18ХГТ | 0, 17-0, 23 | 0, 8-1, 1 | 1, 0-1, 3 | - | 0, 03-0, 09 Ti | 0, 8 | |||||
| 20ХГР | 0, 18-0, 24 | 0, 7-1, 0 | 0, 75-1, 05 | - | - | 0, 8 | 40-60 | ||||
| 25ХГМ | 0, 23-0, 29 | 0, 9-1, 2 | 0, 9-1, 2 | - | 0, 2-0, 3 Mo | 0, 8 | 60-80 | ||||
| 12Х2Н4А | 0, 09-0, 15 | 0, 3-0, 6 | 1, 25-1, 65 | 3, 25-3, 65 | - | 0, 9 | 100-120 | ||||
| 18Х2Н4МА | 0, 14-0, 20 | 0, 25-0, 55 | 1, 35-1, 65 | 4, 0-4, 4 | 0, 3-0, 4 Mo | 1, 0 | ≥ 120 | ||||
| УЛУЧШАЕМЫЕ | |||||||||||
| 40Х | 0, 36-0, 44 | 0, 5-0, 8 | 0, 8-1, 1 | - | - | 0, 6 | 25-35 | ||||
| 30ХГС | 0, 28-0, 35 | 0, 8-1, 1 | 0, 8-1, 1 | - | 0, 9-1, 2 Si | 0, 4 | 50-75 | ||||
| 40ХН2МА | 0, 37-0, 44 | 0, 5-0, 8 | 0, 6-0, 9 | 1, 25-1, 65 | 0, 15-0, 25 Mo | 0, 8 | 75-100 | ||||
| 38ХН3МФА | 0, 33-0, 4 | 0, 25-0, 5 | 1, 2-1, 5 | 3, 0-3, 5 | 0, 35-0, 45 Mo 0, 1-0, 18 V | 0, 8 | ≥ 100 |
Цементуемые стали применяются в основном для деталей типа шестерен, которые после цементации (диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом), закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость и износостойкость наружного слоя (структуру высокоуглеродистого мартенсита) и сохраняют хорошую вязкость сердцевины, препятствующую хрупкому разрушению зубьев шестерни. В качестве цементуемых сталей применяют такие стали, как 15Х, 20Х, 15ХФ, 20Н2М, 18ХГТ, 20ХНР, 12ХН3А, 18Х2Н4МА и др.
Улучшаемые стали используются для ответственных нагруженных изделий, работающих при динамических нагрузках, которые для получения оптимального сочетания прочности и ударной вязкости подвергают улучшению – закалке и высокому отпуску. К улучшаемым относят среднеуглеродистые стали, содержащие от 0, 25 до 0, 5 % углерода. Наиболее распространёнными из них являются хромистые (30Х, 40Х, 50Х и др.), марганцовистые (30Г, 40Г, 40Г2 и т. п.), хромоникелевые (40ХН, 50ХН, 30ХН3А и др.) хромокремнемарганцовые (25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА и пр.), хромоникельмолибденовые (30ХН2МА, 40Х2Н2МА, 38ХН3МА и т. д.) и более сложные по составу (30ХН2МФА, 38Х2МЮА, 30ХГСН2А и др.).
Термическая обработка улучшаемых сталей состоит из закалки в масле и высокого отпуска (550-650 °С). Структура сталей после такой обработки (улучшения) - сорбит.
| Рис. 2.19. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали (схема) |
Недостатком некоторых легированных улучшаемых сталей, особенно содержащих Cr, Mn, повышенный Р (более 0, 001 %), а также Ni, Si, Al, является их склонность к отпускной хрупкости. На рис. 2.19 схематически показано влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали, склонной к отпускной хрупкости.
Уменьшение ударной вязкости при отпуске с температуры в районе 300 °С (отпускная хрупкость I рода) присуще почти всем сталям и является необратимым явлением, одной из причин её является неоднородность распада остаточного аустенита и мартенсита, но природа этого явления полностью неясна. При отпуске с нагревом до 550-650 °С и медленном охлаждении наблюдают отпускную хрупкость II рода. Отпускную хрупкость II рода объясняют выделением при медленном охлаждении дисперсных частиц карбидов (третичных), нитридов, фосфидов и других химических соединений, которые располагаются в основном по границам зёрен, а также восходящей диффузией фосфора к границам зёрен. Это и снижает в отпущенной стали ударную вязкость. При быстром охлаждении изделий при высоком отпуске (в воде или масле) падение ударной вязкости не наблюдают. В тех случаях, когда после высокого отпуска быстрое охлаждение невозможно (например, для очень крупных деталей), выбирают стали с добавками молибдена (0, 3-0, 6 %) или вольфрама (0, 4-0, 8 %) (30ХН2МА, 25Х2Н4ВА, 38ХН3МФА), также более чистые по фосфору и примесям внедрения (кислороду, азоту, водороду). Эти стали мало восприимчивы к отпускной хрупкости, так как Mo, W затрудняют диффузионные процессы и карбиды не успевают образоваться. Поэтому эти стали можно охлаждать при отпуске медленно.
В таблице 2.2 для примера приведены химический состав, механические свойства и критический диаметр Dкр (соответствует максимальному рабочему сечению детали) некоторых цементуемых и улучшаемых конструкционных сталей (ГОСТ4543–71). Механические свойства цементуемых сталей даны после закалки и низкого отпуска, улучшаемых – после закалки и высокого отпуска (т.е. в улучшенном состоянии).
Помимо цементуемых и улучшаемых к конструкционным принадлежат также:
1) строительные (низколегированные) стали, содержащие до 0, 2 %С и небольшое количество недорогих легирующих элементов (обычно до 2–3 %Мn и Si), 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД и др. Они используются в машиностроении, строительстве, магистральных газо – и нефтепроводах и т. п.; обладают хорошей свариваемостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, хладостойкостью. Изделия из этих сталей обычно не подвергаются термической обработке. Механические свойства и назначение некоторых низколегированных сталей приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Механические свойства и назначение некоторых низколегированных сталей
| Марка стали | sв, МПа | s0, 2, МПа | d, % | Назначение |
| 19Г | Сварные нефтепроводы; сварные конструкции доменных печей, пылеуловителей, воздухонагревателей и т.д. | |||
| 14Г2 | ||||
| 17ГС | Газопроводные трубы, корпуса аппаратов, днищ, фланцев и других сварных конструкций. | |||
| 14ХГС | Сварные трубы магистральных газопроводов. | |||
| 15ХСНД | Строительные фермы, мосты, вагоны, рамы и т.д. |
2) рессорно-пружинные стали содержат 0, 5–0, 7 %С и небольшое количество легирующих элементов (Mn, Si, V); например, 50С2, 60СГ, 60С2ХФА, 70С3А и др. После закалки и среднего отпуска (на структуру троостит отпуска) приобретают высокий предел упругости и предел текучести σ 0, 2 до 1200–1700 Мпа (табл. 2.4); применяются в транспортном и станкостроении для рессор, пружин, различных упругих элементов.
Таблица 2.4. Режимы термообработки и механические свойства пружинных сталей
| Марка стали | Температура, оС | Механические свойства после термообработки | |||
| закалка | отпуск | sв, МПа | s0, 2, МПа | d, % | |
| 65Г | |||||
| 50С2 | |||||
| 55С2А | |||||
| 70С3А | |||||
| 60С2ХФА | |||||
| 60С2ВА | |||||
| 60С2Н2А |
3) подшипниковые стали содержат 0, 95–1, 05 %С, 0, 4–1, 7 %Cr, 1, 7 %Mn, 0, 85 %Si; например, ШХ6, ШХ15, ШХ15ГС и др. Буква Ш обозначает шарикоподшипниковую сталь, цифры – содержание Cr в десятых долях процента.
После закалки и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с включениями мелких вторичных карбидов, обладают высокой твердостью (62–64 HRCэ) и износостойкостью; применяются для деталей подшипников качения.Основная цель легирования этих сталей хромом, а также Mn и Si – это повышение прокаливаемости. Чем больше степень легирования, тем больше критический диаметр закаливаемых деталей (см. табл. 2.5), тем более крупный подшипник может быть изготовлен из данной стали. Так, шарики и ролики диаметром более 30 мм и кольца с толщиной стенки более 15 мм рекомендуется изготавливать из стали ШХ15ГС (ШХ20ГС).
Таблица 2.5. Химический состав шарикоподшипниковых сталей и критический диаметр (Dкр[3]) тел качения
| Марка стали | Содержание основных элементов, % по массе | Dкр, мм | |||
| C | Cr | Mn | Si | ||
| ШХ6 | 1, 05–1, 15 | 0, 4–0, 7 | 0, 20–0, 40 | 0, 17–.0, 37 | 9–10 |
| ШХ9 | 1, 05–1, 10 | 0, 9–1, 2 | 0, 20–0, 40 | 0, 17–.0, 37 | 14–15 |
| ШХ15 | 0, 95–1, 05 | 1, 3–1, 65 | 0, 20–0, 40 | 0, 17–0, 37 | 23–25 |
| ШХ15ГС | 0, 95–1, 05 | 1, 3–1, 65 | 0, 90–1, 20 | 0, 40–0, 65 | 50–65 |
Вопросы для самоконтроля
1. Какие стали называются легированными?
2. Как влияют легирующие элементы на полиморфизм железа? Сравните классификацию углеродистых и легированных сталей по равновесной структуре.
3. На какие классы делятся легированные стали по структуре нормализации? На чем основана эта классификация?
4. Что такое прокаливаемость? Какой характеристикой оценивают ее величину? Каков практический путь повышения прокаливаемости?
5. Какова принципиальная связь между размером (сечением) изделия и выбором марки используемой для него стали?
6. Что такое «остаточный аустенит»? Какова причина его появления?
7. Почему для изделий из легированных сталей часто применяют «обработку холодом», в чем она заключается? Какова ее цель?
8. Перечислите наиболее распространенные группы конструкционных легированных сталей. Каков принцип их маркировки?
9. К какой группе принадлежит сталь 20ХГНР? Приведите ее химический состав и последовательность технологических операций, формирующих окончательную структуру типовых изделий из этой стали.
10. Приведите 2-3 марки улучшаемых сталей, расшифруйте их. Почему их так называют? Для какого типа изделий их обычно применяют? Какова окончательная структура таких изделий?
11. Какую сталь следует выбрать для изготовления нагруженных валов диаметром ≥ 100 мм?
12. Приведите марки, химические составы каких-либо рессорно-пружинных и подшипниковых сталей, их термообработку и окончательную структуру изделий из них.